Misura della qualità dell’alimentazione per la generazione di energia da fonti rinnovabili

Il mercato delle energie rinnovabili continua a crescere a ritmo sostenuto, presentando sempre nuove problematiche per i tecnici qualificati impegnati nelle attività di commissioning (collaudo e messa in servizio) e di manutenzione degli impianti fotovoltaici e delle centrali eoliche del futuro. Esaminiamo qui l’importanza della misura della qualità dell’alimentazione per gli impianti fotovoltaici

Pubblicato il 5 aprile 2022

I vantaggi legati al passaggio dalla generazione di energia da combustibili fossili a quella che sfrutta fonti energetiche rinnovabili sono innegabili. Nell’ultimo decennio si è registrata una crescita significativa della produzione di energia da fonti rinnovabili in tutta Europa. Nella sua recente relazione annuale Solar Power Europe ha evidenziato che il numero di impianti fotovoltaici in tutta Europa è aumentato di un terzo nel 2021 arrivando a una produzione che sfiora 26 Gigawatt (GW). La crescita dell’energia eolica in Europa supera di gran lunga quella fotovoltaica e si stima che aumenterà di altri 105 GW nei prossimi cinque anni (fonte: Wind Europe).

La crescita delle installazioni fotovoltaiche ed eoliche
È probabile che l’aumento sia dovuto al fatto che i Governi di tutto il mondo stanno rafforzando ulteriormente le politiche finalizzate a ridurre le emissioni di anidride carbonica, considerate uno dei fattori che contribuiscono in misura maggiore al riscaldamento globale, per conseguire l’obiettivo noto come “Net Zero” (ovvero il bilanciamento tra le emissioni nette di gas serra prodotte dalle attività umane e quelle assorbite/rimosse). Molte politiche sono state messe in atto dall’accordo sul clima fatto nel 2015 alla COP21 a Parigi, che sono state progressivamente e ulteriormente rafforzate negli ultimi anni.

Non è solo il cambiamento politico a stimolare l’adozione globale di energie rinnovabili. Secondo il WEF forum, il costo dell’elettricità fotovoltaica è diminuito di circa l’85% nell’ultimo decennio. Di conseguenza, il numero di installazioni fotovoltaiche continua ad aumentare in tutto il mondo.

Come viene accumulata l’energia proveniente dal sole
Ci sono modi per raccogliere l’energia termica dal sole per riscaldare l’acqua da utilizzare in ambito domestico. Essa può anche essere raccolta utilizzando specchi il cui scopo è concentrare l’energia solare e riscaldare l’acqua fino alle temperature necessarie per azionare le turbine a vapore. Di gran lunga la forma più comune di raccogliere l’energia dal sole prevede l’uso di pannelli fotovoltaici che utilizzano l’energia dei fotoni di luce per promuovere gli elettroni degli atomi del materiale dalla banda di valenza a quella di conduzione producendo in tal modo un flusso di elettricità. La crescita dinamica del settore fotovoltaico per la produzione di energia elettrica sta creando una domanda sempre maggiore di tecnici in grado di gestire, manutenere e ricercare i guasti negli impianti fotovoltaici in modo efficiente ed efficace.

Testare la qualità dell’alimentazione
La qualità dell’alimentazione (power quality) è un parametro importante per gli impianti industriali, gli impianti di produzione e per i fornitori di energia, poiché una scarsa qualità dell’alimentazione può causare problema di varia natura alle apparecchiature elettriche, tra cui apparati di illuminazione, sistemi informatici, dispositivi di pilotaggio e motori. Le armoniche possono causare problemi nei componenti dell’infrastruttura come conduttori e trasformatori, mentre i fenomeni transitori, ovvero improvvisi picchi di tensione, possono causare guasti di notevole entità alle apparecchiature elettroniche. I test di qualità dell’alimentazione spesso richiedono ai tecnici di raccogliere dati in un certo periodo di tempo e analizzare i risultati.

Qualità dell’alimentazione prodotta da fonti rinnovabili
Man mano che accelera la transizione verso le energie rinnovabili, è fondamentale che gli installatori e il personale addetto alla manutenzione abbiano accesso alla formazione e alla strumentazione adatte per mettere in funzione in tempi brevi le installazioni fotovoltaiche e garantire un funzionamento in grado di assicurare le migliori prestazioni. Da qui l’aumento della domanda di dispositivi palmari a elevata precisione in grado di effettuare misure sui sistemi fotovoltaici (PV).
L’uscita dei pannelli fotovoltaici è soggetta a fluttuazioni continue. Un inverter converte la corrente continua (DC) in corrente alternata (AC), ma una tensione AC non condizionata può causare vari problemi legati alla qualità dell’alimentazione.

Nella fase di commissioning (collaudo e messa in funzione) è importante per proprietari e investitori stabilire se le apparecchiature installate siano effettivamente in grado di fornire la quantità di energia per la quale l’impianto fotovoltaico è stato progettato. Tale energia deve risultare conforme a determinati standard di qualità e deve essere possibile eseguire tale verifica utilizzando apparecchiature di test per la qualità dell’alimentazione.

Collaudare la qualità dell’alimentazione in modo sicuro
Quando si tratta di energia fotovoltaica, nel momento in cui si seleziona uno strumento da utilizzare per la manutenzione e la ricerca guasti relativamente alla qualità dell’alimentazione, è di fondamentale importanza sceglierne uno in grado di effettuare misure in c.c. e c.a., al fine di consentire a un tecnico di effettuare un controllo funzionale su un pannello solare e misurare la corrente c.a. a valle dell’inverter. Lo strumento in questione, inoltre, dovrà essere in grado di visualizzare i risultati in tempo reale.

L’effetto fotovoltaico trasforma l’energia della radiazione solare in energia elettrica, ma questa energia non è regolare, in quando fluttua in funzione dell’intensità della radiazione solare e può persino causare problemi di sicurezza.
L’evoluzione nel campo dei tester per la qualità dell’alimentazione ha permesso lo sviluppo di strumenti in grado di garantire una maggior sicurezza agli operatori sul campo. Una funzione di correzione automatica consente all’utente di collegare la sonda e allontanarsi. Una volta collegata è possibile regolare e correggere la connessione sul display o da remoto tramite il proprio smartphone, minimizzando così l’esposizione ai terminali ad alta tensione.

Colmare il divario di competenze
A causa dell’attuale velocità di crescita del settore dell’energia fotovoltaica ed eolica, il numero di operatori qualificati disponibile è inferiore alla richiesta. Al fine semplificare al massimo il collaudo, gli odierni tester integrano una funzionalità di configurazione guidata molto intuitiva e permettono all’utente di realizzare viste personalizzate in modo rapido e semplice. Un’utile evoluzione nella tecnologia di misura è la capacità dello strumento di avviare automaticamente la registrazione dei dati per cui, anche se l’operatore dimentica di impostare un parametro, i dati possono essere estratti dal file di registro in un secondo momento.

Le migliori apparecchiature per la ricerca guasti dovrebbero sempre essere corredate con adeguato package software da utilizzare per l’analisi degli eventi che si verificano sulla rete. Questo software dovrebbe anche riesaminare i segnali elettrici nel file di registro, completando in modo autonomo l’analisi. L’analisi in tempo reale fornirà un valido ausilio per la ricerca guasti nel caso si dovessero presentare problemi di qualsiasi tipo. Ad esempio, se un conduttore nella rete di pannelli solari si surriscalda, è possibile collegare l’apparecchiatura di prova per la qualità dell’alimentazione al conduttore e testare la corrente e le tensioni che attraversano il conduttore in tempo reale. Ciò consente all’operatore di correlare i risultati direttamente con i processi che si verificano nelle vicinanze.

Cicli di test continui
La pianificazione di cicli di prova su base regolare consente ai produttori di energia di monitorare i trend dall’esame dei dati raccolti sulla qualità dell’alimentazione. Al di là della misura primaria per determinare le richieste di potenza in uscita, le tendenze evidenziate dai dati raccolti possono aiutare a individuare i guasti e pianificare di conseguenza la manutenzione preventiva. Le apparecchiature di test permettono ai responsabili degli impianti fotovoltaici ed eolici di utilizzare i dati per prevedere eventi futuri e garantire la sicurezza degli operatori che effettuano la manutenzione degli impianti fotovoltaici e delle turbine eoliche. La manutenzione preventiva contribuisce significativamente ad evitare costosi periodi di inattività e interruzioni di servizio.

Ricerca guasti dell’intero sistema
Nel caso di ricerca dei guasti in un impianto fotovoltaico, le procedure di manutenzione devono essere concentrate in particolare su quattro elementi del sistema: i pannelli fotovoltaici, il carico, l’inverter e le scatole di giunzione (combiner box).

  1. Ricerca guasti nei pannelli fotovoltaici
    Un tecnico dovrebbe prima controllare l’uscita dell’intero sistema nell’inverter. Prima di iniziare la ricerca guasti, è necessario controllare e registrare anche la tensione di ingresso dell’inverter e il livello di corrente proveniente dall’array (generatore).
    La scatola di giunzione può essere un punto ottimale per eseguire la ricerca guasti del sistema perché i singoli fili dei moduli confluiscono in essa. Ogni modulo può avere un fusibile, che deve essere controllato.
  2. Ricerca guasti dei carichi degli impianti fotovoltaici
    In questo caso, si deve iniziare controllando i commutatori di carico, i fusibili e gli interruttori per verificare se è presente una tensione adeguata in corrispondenza del collegamento del carico. Successivamente, si dovranno anche controllare i fusibili e gli interruttori. Quindi è necessario individuare e sostituire fusibili bruciati o interruttori che sono scattati. Se il carico è un motore, potrebbe essere scattato un interruttore termico interno, oppure potrebbe essere presente un avvolgimento aperto nel motore. Ai fini del test, è necessario collegare un altro carico e vedere se in tal caso il funzionamento è quello corretto.
    Come per qualsiasi impianto elettrico, verificare la presenza di fili interrotti e collegamenti allentati. Pulire tutti i collegamenti sporchi e sostituire tutti i cablaggi in cattive condizioni. Con l’alimentazione disinserita, controllare e riparare eventuali guasti di messa a terra. Se i fusibili si rompono e/o gli interruttori scattano di nuovo, la causa sarà un cortocircuito, che dovrà essere localizzato e riparato.
    Se il carico continua a non funzionare correttamente, si dovrà controllare la tensione del sistema in corrispondenza del collegamento del carico. La dimensione del filo potrebbe infatti essere troppo piccola e dovrà essere aumentata. Questo apparirà in fase di verifica come una bassa tensione al carico e, per risolvere il problema, si dovrà o ridurre il carico sul circuito o sostituire il cavo con uno più grande.
  3. Ricerca guasti negli inverter degli impianti fotovoltaici
    Il compito dell’inverter è convertire la corrente continua (DC) dall’impianto fotovoltaico in corrente alternata (AC) adatta per l’uso negli edifici. Per individuare i guasti sul lato AC, si dovranno controllare la tensione di uscita e i livelli di corrente dell’inverter. Se l’inverter non genera la corretta quantità di alimentazione potrebbe essere presenti diversi problemi – un fusibile bruciato, un interruttore scattato o un filo di collegamento interrotto – ognuno dei quali può essere facilmente verificato con lo strumento adatto.
  4. Ricerca guasti nelle scatole di giunzione
    Per la ricerca guasti nelle scatole di giunzione, il calcolo e la misura degli amperaggi sono fondamentali per stabilire se i generatori degli impianti fotovoltaici funzionano correttamente. La misura della corrente sui singoli generatori o misure combinate aiutano a stabilire se un modulo non funziona correttamente.
    Utilizzando un multimetro a pinza con un design più sottile della ganascia è possibile prendere più conduttori nella ganascia stessa per effettuare misure di corrente combinate anche in spazi angusti o affollati come in un inverter e nelle scatole di giunzione.

Fonte: Fluke

Mark Bakker, Field Application Engineer di Fluke Corporation



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